钢的热处理

实验2 钢的热处理及热处理后的

显微组织观察

一．实验目的

1)熟悉钢的几种基本热处理操作(退火、正火、淬火、回火等)；

2)了解加热温度、冷却速度、回火温度等主要因素对45钢热处理后性能(硬度)的

影响；

3)观察碳钢热处理后的显微组织；

4)了解热处理工艺对钢组织和性能的影响；

5)学会硬度计的使用。

二．概述

钢的热处理就是利用钢在固态范围内的加热、保温和冷却，以改变其内部组织，从而获得所需要的物理、化学、机械和工艺性能的一种操作。热处理的基本操作有退火、正火、淬火、回火等。进行热处理时，加热温度、保温时间和冷却方式是最重要的三个基本工艺因素。正确选择这三者的规范，是热处理成功的基本保证。

1)加热温度的选择

(1)退火加热温度

一般亚共析钢加热至A c3+(20～30)℃(完全退火)。共析钢和过共析钢加热至A c1+(20～30)℃(球化退火)，目的是得到球状渗碳体，降低硬度，改善高碳钢的切削性能。

(2)正火加热温度

一般亚共析钢加热至A c3+(30～50)℃；共析钢加热至A c1+(30～50)℃；过共析钢加热至A ccm+(30～50)℃，即加热到奥氏体单相区。退火和正火加热温度范围选择见图3—1 6.

(3)淬火加热温度

一般亚共析钢加热至A c3+(30～50)℃，共析钢和过共析钢加热至A c1+(30～50)℃，见图3—17。

各种碳钢的临界点见表3—7。

(4)回火温度的选择

钢淬火后都要回火，回火温度决定于最终所要求的组织和性能(工厂中常常是根据硬度的要求)，按加热温度高低回火可分为三类：

①低温回火在150℃～250℃的回火称为低温回火，所得组织为回火马氏体，硬度约为60HRC。其目的是降低淬火应力，减少钢的脆性并保持钢的高硬度。低温回火常用于高碳钢制造的切削刀具、量具和滚动轴承件。

②中温回火在350℃～500℃的回火称为中温回火，所得组织为回火屈氏体，硬度约为40HRC～48HRC。其目的是获得高的弹性极限，同时有高的韧性。主要用于碳质量

分数为0．5％～O ．8 9／6的弹簧钢热处理。

图3-16 退火和正火的加热温度范围 图3-17 淬火的加热温度范围

表3-7 个种碳钢的临界点

③高温回火 在500℃～650℃的回火称高温回火，所得组织为回火索氏体，硬度约为25HRC ～35HRC 。其目的是获得既有一定强度、硬度，又有良好冲击韧性的综合机械性能。所以把淬火后经高温回火的处理称为调质处理，用于中碳结构钢。

2)保温时间的确定

为了使工件内外各部分温度约达到指定温度，并完成组织转变，使碳化物溶解和奥氏 体成分均匀化，必须在淬火加热温度下保温一定的时间。通常将工件升温和保温所需时 间算在一起，统称为加热时间。

热处理加热时间必须考虑许多因素，例如工件的尺寸和形状，使用的加热设备及装炉 量，装炉时炉子温度、钢的成分和原始组织，热处理的要求和目的等等。

实际工作中多根据经验大致估算加热时间。一般规定，在空气介质中，升到规定温度 后的保温时间，对碳钢来说，按工件厚度每毫米需一分钟到一分半钟估算；合金钢按每毫 米二分钟估算。在盐浴炉中，保温时间则可缩短为空气介质中保温时间的

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1。 3)冷却方法

热处理时的冷却方式要适当，才能获得所要求的组织和性能。

退火一般采用随炉冷却。

正火采用空气冷却，大件可采用吹风冷却。

淬火冷却方法非常重要，一方面冷却速度要大于临界冷却速度，以保证全部得到马氏体组织；另一方面冷却应尽量缓慢，以减少内应力，避免变形和开裂。为了解决上述矛盾，可以采用不同的冷却介质和方法，使淬火工件在

奥氏体最不稳定的温度范围内(650℃～550℃)

快冷，超过临界冷却速度，而在M s(300~C～

100℃)点以下温度时冷却较慢，理想的冷却速度

如图3～18所示。

碳钢经热处理后的组织，可以是平衡或接近

平衡状态(如退火、正火)的组织，也可是不平衡

组织(如淬火组织)，因此在研究热处理后的组织图3-18 淬火时的理想冷却曲线示意图时，不但要参考铁碳相图，还要利用C曲线。

铁碳相图能说明慢冷时不同碳质量分数的铁碳合金的结晶过程和室温下的组织，计算相的质量分数。C曲线则能说明一定成分的铁碳合金在不同冷却条件下的转变过程，及能得到哪些组织。

4)钢冷却时所得的各种组织组成物的形态

(1)珠光体(P)是铁素体与渗碳体的机械混合物，层片较粗。

(2)索氏体(S)是铁素体与渗碳体的机械混合物。其层片比珠光体更细密，在显微镜的高倍(700倍以上)放大下才能分辨。

(3)屈氏体(T)也是铁素体与渗碳体的机械混合物。片层比索氏体更细密，在一般光学显微镜下无法分辨，只能看到如墨菊状的黑色组织。当其少量析出时，沿晶界分布呈黑色网状包围马氏体。当析出量较多时，呈黑色块状。只有在电子显微镜下才能分辨其中的片层。

(4)贝氏体是奥氏体中温转变的产物，贝氏体也是铁素体与渗碳体的两相混合物，但其金相形态与珠光体类组织不同，并因钢的成分和形成温度不同而有差别。其组织形态主要有二种：

①上贝氏体是由成束平行排列的条状铁素体和条间断续分布的渗碳体所组成的非层状组织。当转变量不多时。在光学显微镜下为成束的铁素体条向奥氏体晶界内伸展，具有羽毛状特征。在电镜下铁素体以几度到十几度的小位向差相互平列，渗碳体沿条的长轴方向排列成行。

②下贝氏体是在片状铁素体内部沉淀有碳化物的混合物组织。由于下贝氏体易受浸蚀．所以在显微镜下呈黑色针状，在电镜下是以片状铁素体为基体，其中分布着很细的碳化物片，碳化物片分布大致与铁素体片的长轴呈55°～65°的角度。

(5)马氏体(M)是碳在α—Fe中的过饱和固溶体，马氏体可分为两大类，即板条状